基于語音識別的智能家居助手設計與制作

盛振濤 顏鏗洋 浙江師范大學物理與電子信息工程學院

引言

當前的家用電器主要的控制方式為紅外遙控。隨著科技的進步，日常家用電器的數(shù)目不斷增加、其專用的控制器數(shù)量增加，且控制器功能繁雜、操作復雜。由此帶來問題的是：控制器不統(tǒng)一導致的產(chǎn)品體驗變差。

目前大多數(shù)的解決方案是通過智能手機進行訪問和控制來解決上述問題。但是雖然手機成為了統(tǒng)一的遙控器，但上面種類繁多的遙控APP 也使得這種方法存在有操作復雜、不易學習的缺點。

本文提出一種新的解決方案：語音識別控制。語言可以直接表述用戶需求，采用語音識別控制的方法可以省去很多復雜的人機交互步驟。使用者可以通過語音傳達自己的指令，極大的方便了行動不便的人群。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于語音識別的智能家居助手系統(tǒng)框圖如圖1 所示，主要包括STM32 主控模塊、LD3320 芯片、ESP8266 WIFI 模塊及紅外發(fā)光二極管；該系統(tǒng)可以讓用戶可以通過語音輕松、便捷地遙控家中不同種類的電器。

圖1 系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)的語音識別系統(tǒng)工作模式為近端語音識別控制。在近端語音識別控制模式下，STM32 處理器使用LD3320 語音識別芯片進行實時語音識別。識別完成后,STM32 主機可以接受到命令。如果命令是對本房間的電器進行控制，則STM32 主機通過ESP8266 WIFI模塊和紅外二極管模塊直接對WIFI/紅外控制的家居進行控制。如果命令是對其他房間的家居進行控制，則STM32 主機通過ESP8266 WIFI 模塊組成的局域網(wǎng)和指定房間的STM32 子機進行通訊，然后指定房間的STM32 子機進行和上面相同步驟的控制操作。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ESP8266 WIFI 傳輸模塊設計

ESP8266 WIFI 傳輸模塊的工作原理如圖2 所示，使用的芯片是ESP8266。該系列WIFI 芯片是一個完整且自成體系的Wi-Fi 網(wǎng)絡解決方案，能夠搭載軟件應用，或通過另一個應用處理器卸載所有Wi-Fi 網(wǎng)絡功能。

ESP8266 在搭載應用并作為設備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內存需求。

另外一種情況是，無線上網(wǎng)接入承擔Wi-Fi 適配器的任務時，可以將其添加到任何基于微控制器的設計中，連接簡單易行，只需通過SPI/SDIO 接口或中央處理器AHB 橋接口即可。

2.2 LD3220 語音識別模塊設計

LD3220 語音識別模塊搭載了LD3320 芯片。LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片不需要外接任何的輔助芯片如 Flash、RAM 等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。并且，識別的關鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。

STM32 主控制器與LD3320 語音識別模塊之間通過串口通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。STM32 程序內部調用LD3320 庫函數(shù)，讀取LD3320 芯片寄存器數(shù)據(jù)，得到語音信息。然后STM32 主控制器通過SPI 接口將語音信息通過ESP8266 傳送給子控制器或者進行控制操作。

2.3 STM32 主控制器

系統(tǒng)的主控板采用STM32 核心板，其處理器核心是STM32F103 處理器。STM32 系列單片機功耗低，運算速度快，片上資源滿足設計功能要求。基于ARM Cortex-M3 內核，專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計。處理器時鐘頻率為72MHz，含11 個定時器以及豐富的I/O 口，內置3 個12 位的A/D 轉換器、2 個12 位D/A 轉換器，是同類產(chǎn)品中性價比最高的處理器。

控制板通過JLink 與電腦連接，便于在線進行程序調試。與傳統(tǒng)的單片機相比，STM32 資料豐富、編程方法簡單易學、軟硬件完全開放，在庫文件和例程的基礎上稍做修改就可以滿足該系統(tǒng)的設計要求，實現(xiàn)對語音信息的讀取、處理及發(fā)送。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 STM32 程序設計

STM32 程序設計流程圖如圖2 所示，在初始狀態(tài)下，STM32 與LD3220 語音模塊一直處于通信狀態(tài)，當LD3220 語音模塊響應范圍內有語音信號時，LD3220 對語音信號轉換采集，然后得到語音信息通過串口發(fā)送給STM32。STM32 根據(jù)語音信息的內容，將命令通過ESP8266 傳輸給子控制器或者直接進行控制操作。

圖2 STM 32 程序設計流程圖

3.2 貝殼物聯(lián)WIFI 組網(wǎng)設計

貝殼物聯(lián)是一個物聯(lián)網(wǎng)云平臺。貝殼物聯(lián)WIFI 組網(wǎng)設計包括設備在/離線監(jiān)控和語音命令傳送。該面板可以讓用戶清楚地看到哪些STM32 控制器是在線的，那些STM32 控制器處于離線狀態(tài)。

貝殼物聯(lián)在ESP8266 WIFI 模塊組網(wǎng)設計中承擔了路由器的作用。各個STM32 控制器之間通過確定的協(xié)議進行聯(lián)網(wǎng)通訊，從而大大增加了智能家居助手的輕巧度。

4 結束語

本文設計的基于語音識別的的智能家居助手具有適應性強、輕巧易用、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。可實現(xiàn)對不同類型的家中各處家居的控制，并且保證通訊的可靠性。大大提高了智能家居控制的高效性與便利性，具有廣闊的應用前景。